Trả lời nhanh
Những ví dụ thực tế về lực làm quay vật gồm: đẩy cánh cửa quanh bản lề, dùng cờ lê vặn bu lông, hai bạn chơi bập bênh, xoay vô lăng, vặn vòi nước, đạp bàn đạp xe, dùng kéo hoặc kìm. Ở mọi trường hợp, tác dụng làm quay phụ thuộc vào momen lực M = F·d: lực càng lớn và cánh tay đòn d càng dài thì vật càng dễ quay.
Lực làm quay vật khi nào? Nhắc nhanh về momen lực
Một vật có trục quay cố định chỉ quay khi lực tác dụng lên nó có momen lực khác 0. Momen lực đối với trục quay O được tính bằng công thức:
M = F·d
- F là độ lớn của lực (đơn vị N).
- d là cánh tay đòn, tức khoảng cách từ trục quay đến giá của lực (đo theo đường vuông góc, đơn vị m).
- M đo bằng N·m.
Nếu giá của lực đi qua trục quay thì d = 0, M = 0 và lực không làm vật quay, dù lực rất lớn.
Các ví dụ thực tế về lực tác dụng làm quay vật
| Tình huống | Trục quay | Lực gây quay | Điều rút ra |
|---|---|---|---|
| Mở cánh cửa | Bản lề | Tay đẩy hoặc kéo | Tay nắm đặt xa bản lề để d lớn, mở nhẹ hơn |
| Vặn bu lông bằng cờ lê | Trục bu lông | Tay ấn lên cán cờ lê | Cờ lê càng dài, càng ít tốn sức |
| Chơi bập bênh | Điểm tựa ở giữa | Trọng lực của hai bạn | Bạn nặng ngồi gần trục, bạn nhẹ ngồi xa trục thì cân bằng |
| Xoay vô lăng ô tô | Trục lái | Hai tay tác dụng cặp lực ngược chiều | Vô lăng to giúp đánh lái nhẹ |
| Vặn vòi nước, mở nắp chai | Trục vòi, trục nắp | Các ngón tay | Tay vặn dẹt, nắp có khía để tăng d |
| Đạp xe | Trục giữa của đĩa | Chân đạp lên bàn đạp | Lực đạp vuông góc với cần đạp thì hiệu quả nhất |
| Dùng kéo, kìm, kẹp hạt | Chốt giữa hai lưỡi | Tay bóp hai cán | Cán dài, lưỡi ngắn thì cắt vật cứng dễ hơn |
| Kéo nước giếng bằng tay quay | Trục tời | Tay quay tay cầm | Tay quay dài giúp kéo gầu nặng nhẹ nhàng |
| Nhổ đinh bằng búa, bẩy bằng xà beng | Điểm tựa ở mặt gỗ hoặc mặt đất | Tay ấn đầu cán | Cán dài cho momen lớn từ lực nhỏ |
Giải thích vì sao các ví dụ trên đều dùng đến momen lực
1. Muốn đỡ tốn sức thì tăng cánh tay đòn
Với cùng một momen cần thiết để mở nắp hay vặn bu lông, F = M/d. Tăng d thì lực F cần dùng giảm. Đó là lý do cờ lê, xà beng, tay quay giếng, vô lăng đều có cán hoặc bán kính lớn.
2. Hướng của lực cũng quan trọng
Khi đẩy cửa ở sát bản lề, d rất nhỏ nên rất nặng. Khi đẩy theo hướng song song với mặt cửa, giá của lực đi qua bản lề, d = 0 và cửa không quay. Lực vuông góc với cánh cửa, đặt ở mép xa bản lề cho momen lớn nhất.
3. Cân bằng: tổng momen thuận bằng tổng momen nghịch
Vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng khi tổng momen của các lực làm vật quay theo chiều kim đồng hồ bằng tổng momen của các lực làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ. Quy tắc này giải thích bập bênh và cân đòn.
4. Ngẫu lực ở vô lăng, vòi nước
Hai lực song song, ngược chiều, cùng độ lớn, đặt ở hai điểm khác nhau là một ngẫu lực. Nó chỉ làm vật quay mà không làm vật tịnh tiến. Momen của ngẫu lực là M = F·d, với d là khoảng cách giữa hai giá của lực.
Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Dùng cờ lê dài 0,25 m, tác dụng lực 40 N vuông góc với cán. Tính momen lực đối với trục bu lông.
Đáp án: M = F·d = 40·0,25 = 10 N·m.
Bài 2. Để tháo một đai ốc cần momen 20 N·m. Bạn chỉ ấn được lực 50 N vuông góc với cán. Cờ lê phải dài ít nhất bao nhiêu?
Đáp án: d = M/F = 20/50 = 0,4 m.
Bài 3. Bố nặng, trọng lượng 600 N, ngồi cách điểm tựa của bập bênh 0,75 m. Con có trọng lượng 300 N phải ngồi cách điểm tựa bao xa để bập bênh cân bằng (ván nằm ngang, bỏ qua khối lượng ván)?
Đáp án: 600·0,75 = 300·d nên d = 450/300 = 1,5 m.
Bài 4. Lực 30 N tác dụng vào đầu cán cờ lê dài 0,2 m, hợp với cán một góc 30°. Tính momen lực.
Đáp án: Cánh tay đòn d = 0,2·sin 30° = 0,1 m, nên M = 30·0,1 = 3 N·m. Cùng lực mà vuông góc với cán thì M = 6 N·m, gấp đôi.
Lỗi sai thường gặp
- Lấy d là chiều dài cán, dù lực không vuông góc với cán. Phải dùng khoảng cách từ trục đến giá của lực.
- Nhầm đơn vị: d tính bằng cm nhưng không đổi sang m trước khi viết kết quả theo N·m.
- Cho rằng lực lớn thì luôn làm quay mạnh. Lực có giá đi qua trục thì momen bằng 0.
- Quên xét chiều quay khi cộng momen: các momen ngược chiều phải trừ nhau.
Mẹo nhớ
Hãy nghĩ đến chiếc cửa: đẩy xa bản lề, đẩy vuông góc thì nhẹ. Hai điều đó chính là hai yếu tố trong M = F·d: d lớn và lực vuông góc.
Câu hỏi thường gặp
Momen lực là gì và đơn vị là gì?
Momen lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực quanh một trục, tính bằng M = F·d, đơn vị là N·m. Trong đó d là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực.
Vì sao tay nắm cửa đặt xa bản lề?
Đặt xa bản lề làm cánh tay đòn d lớn. Với cùng momen cần để mở cửa, lực tay cần dùng nhỏ hơn nên mở cửa nhẹ hơn.
Khi nào lực không làm vật quay dù lực rất lớn?
Khi giá của lực đi qua trục quay, cánh tay đòn bằng 0 nên momen lực bằng 0. Ví dụ đẩy cánh cửa theo phương song song với mặt cửa.
Điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định là gì?
Tổng momen các lực làm vật quay theo chiều kim đồng hồ bằng tổng momen các lực làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ đối với cùng một trục.